单波束水下地形测量优化方案

单波束测深声呐（也称回声测深仪）是目前用途最广，国内外进行水深测量的最基本的仪器。声呐是仿生学的重大突破，其特点是能够发出特定频率的音频声波，声波在和物体接触的时候，会根据接触面材质的不同发生不同程度的回弹，而测深仪能够接收到回弹的声波，根据回弹的速度和声波在水域的速度综合分析研究，以确定仪器和前方物体之间的距离。利用单波束测深仪进行水下地形测量一直都是水下地形测量的常规技术手段，虽然随着多波束测深系统的高速发展，单波束测深的缺点越来越明显，但是单波束也有其自身的优点，比如小巧轻便、容易安装等，目前在海洋测绘方面仍有应用空间。单波束水下地形测量在现在的海缆路由勘察中主要是应用在浅水区域，特别是水深5m以内区域，多波束系统较难进入区域，同时多波束测量在极浅水区域效率相对单波束测量也不明显，而这个区域，单波束灵活轻便的特点就发挥了作用，包括搭载无人艇甚至可以到水深0.5m区域进行测量，这是多波束测深系统较难实现的地方，因此单波束测深技术和多波束测深技术在海缆路由勘察中都是必不可缺的，两者可相互搭配，没有冲突。

1.工作原理

单波束测深仪是由发射机、接收机、发射换能器、接收换能器、显示设备和电源部分组成。目前大多数单波束回声测深仪换能器同时具备发射和接收声波功能。其原理是利用声波在水中的传播特性测量水体深度的技术。声波在均匀介质中做匀速直线传播，在不同介质上产生反射，利用这一原理（见图3-5），选择对水的穿透能力最佳的超声波，在水面垂直向水底发射声信号，并记录从声波发射到信号由水底返回的时间间隔，通过模拟或直接计算，测定水体的深度。

发射机：在中央处理器的控制下，周期性地产生有一定频率、一定脉冲宽度、一定电功率的电振荡脉冲，由发射换能器按一定周期向海水中辐射。发射机一般由振荡电路、脉冲产生电路、功放电路组成。

接收机：将换能器接收的微弱回波信号进行检测放大，经处理后送入显示器。在接收电路中，采用了现代相关检测技术和归一化技术，采用了回波信号自动鉴别电路、回波水深抗干扰电路、自动增益电路、时控放大电路，使放大后的回波信号能满足各种显示设备的需要。

发射换能器：是一个将电能转换成机械能，再由机械能通过弹性介质转换成声能的电-声转换装置。它将发射机每隔一定时间间隔送来的有一定脉冲宽度、一定振荡频率和一定功率的电振荡脉冲，转换成机械振动，并推动水介质以一定的波束角向水中辐射声波脉冲。

接收换能器：是将声能转换成电能的声-电转换装置。它可以将接收的声波回波信号转变成电信号，然后再送到接收机进行信号放大和处理。

安装在测量船下的发射机换能器，垂直向水下发射一定频率的声波脉冲，以声速C在水中传播到水底，经反射或散射返回，被接收机换能器所接收。设自发射脉冲声波的瞬时起，至接收换能器收到水底回波时间为t，换能器的吃水深度D，则水深H为

图3-5 单波束测深仪工作原理

单波束测深仪按照频率数量分为单频测深仪和双频测深仪。单频测深仪仅发射一个频率的超声波，以测量海面到海底表面之间的垂直距离，即水深。双频测深仪换能器垂直向水下发射高、低频声脉冲，由于低频声脉冲具有较强的穿透性，因而可以打到海底硬质层，利用高低频的特点，可以测出海底表面淤泥的厚度。

2.数据采集和处理(www.xing528.com)

单波束水深测量自动化系统包括数字化测深仪、定位设备（通常为GPS）、数据采集和处理设备、数据采集和处理软件。在有较高精度要求的测量中，还使用了运动传感器实时测量船舶姿态并通过软件对测得的数据进行姿态改正。在自动化测量系统中，测深仪测得的水深数据和GPS测得的定位数据通过RS232接口传输到计算机，计算机通过数据采集软件将收到的数据以一定的格式形成电子文件存储到计算机硬盘。外业测量结束后利用数据处理软件剔除假水深、加入仪器改正数和潮位改正，形成水深数字文件，再由软件的绘图模块驱动绘图机自动成图。

（1）数据采集

单波束实际作业前需进行设备检验，检验包括停泊稳定性试验和航行试验。

停泊稳定性试验：一般选择在水深大于5m的海底平坦处，连续开机时间不少于2h；试验中，每隔5min比对一次水深，水深比对限差应在0.3m以内。对于非固定安装的测深仪，应利用检测板进行检查比对。

航行试验：实验时，选择水深变化较大的海区，检验测深仪在不同深度和不同航速下工作是否正常。

海上测量时数据采集一般采用等距方式采集，对于海底地形变化剧烈地区需加密测量。测量时调查船尽量保持匀速、直线航行。检查测线一般不少于主测线总长度的5%。

（2）数据处理

单波束资料一般采用专业处理软件对多波束水深数据进行处理，其内容包括位置校准、潮位改正、声速校正、数据滤清等过程，最终输出修正后水深数据。资料处理基本流程如下：

需要注意的是处理后的数据需要利用主测线和检查测线交点水深不符值，进行水深测量准确度估计，其估计指标的计算公式为

式中，σ为中误差，单位为m；h_i为不同测线条幅重复测点水深测量值的差值，单位为m。